超高频射频识别(UHF RFID)系统已广泛应用于资产管理、服装零售等领域。近年来,它们在无人售货超市和汽车电子标识应用方面也获得了广泛的关注。本文介绍基于 ADI 公司的信号链的 UHF RFID 读卡器射频前端的两种实现方法。一种实现方法基于 ADF9010 和 AD9963,另一种则基于 AD9361。本文主要关注中国市场的汽车电子标识这一目标应用领域,这种电子标识必须符合中国标准 GB/T 29768-2013“信息技术—射频识别—空中接口协议(800/900 MHz)”1 和 GB/T 35786-2017“机动车电子标识读写设备通用规范”2。与分立式双组件实现方案相比,这个基于 AD9361 的解决方案大大降低了设计复杂度,减少了组件数量和板空间,但接收器的灵敏度也有所下降。虽然本文描述的射频前端针对特定应用,但是分析方法和前端本身都适用于一般的 UHF RFID 读卡器解决方案。

 

表 1. 标签读卡器物理 MAC 层关键参数汇总

 

 

表 2. 读卡器带外发射要求

 

 

表 3.2 类读卡器关键性能

 

 

标准汇总

根据 GB/T 29768-2013 和 GB/T 35786-2017《机动车电子标识标准》,表 1 至表 3 总结了适合这些应用的高性能 2 类读卡器的关键空中接口参数和性能要求。

 

系统链路预算分析

无源 RFID 系统有两个基本的链路限制:对于正向链路,标签需要将接收到的读写器发射的射频功率转换成直流,让自身的电子设备工作起来。通常情况下,前向链路的限制在于此。反向链路则受读卡器接收器灵敏度限制。正向和反向链路预算公式 3, 4 如公式 1 至公式 3 所示:

 


Prip:标签接收各向同性功率 


Ptx:读卡器发射功率


Gtx:读卡器发射天线增益 


Gtag:标签天线增益


FSPL:自由空间路径损失


Prx:读卡器接收信号功率 


Grx:读卡器接收天线增益 


ƞmod:标签调制效率


d:读卡器和标签之间的距离


λ:自由空间中的信号波长

 

根据 GB/T 35786-2017 第 6.2 节和第 6.5.2.2 节的定义,Ptx 为 30 dBm,馈线插入损耗小于 1 dB,所以实际的 Ptx 约为 29 dBm。现场测试采用 10 dBi 到 12 dBi 增益的天线,所以假设 Gtx 为 12 dBi。对于 Grx,在汽车电子标识应用中,读卡器通常采用单天线配置,而读卡器使用单根天线进行传输和接收,因此 Grx = Gtx = 12 dBi。标签天线通常类似于偶极子天线,可以合理地假设 Gtag = 2 dBi。ƞmod 代表标签的调制效率,由标签反向调制读写器的发射信号时,标签天线匹配和标签阻抗漂移决定,可以合理地假设ƞmod = –8 dB。中心频率为 922.5 MHz,所以λ= 0.33 m。图 1 所示的系统链路预算基于前面描述的公式和参数计算得出。

 

 

图 1. 正向和反向链路预算计算

 

为了支持标准中定义的 25 米链路范围,标签灵敏度应该高于 -18.7 dBm,读卡器灵敏度应该高于 -70.4 dBm。在该标准中,标签灵敏度要求被定义为 -18 dBm,与分析结果高度吻合。但是,读卡器的灵敏度要求被定义为 –65 dBm,与 分析结果相比存在较大偏差。这种偏差可能来自于标签天线的增益值。在汽车电子标识应用中,不需要将标签天线设计成全向的。增加一个反射器将导致天线增益增加 3 dB。由于标签天线增益(Gtag)在公式 2 中为平方值,所以读取器的灵敏度分析结果将增加 6 dB,达到–64.4 dBm。在这种情况下,分析结果符合标准要求。

 

UHF RFID 读卡器中的自我干扰器
在 UHF RFID 系统中,读取器在发送连续波(CW)信号为无源标签供电时,会同时以相同频率接收来自标签的反向散射信号。由于发送器 - 接收器之间的隔离性能欠佳,强连续波信号和相关的发送器噪声会泄漏到接收器中。通常这种泄漏信号被称为自干扰(SJ)信号,它会降低读卡器的灵敏度。


在汽车电子标识应用的 RFID 读卡器中,定向耦合器通常用作发射器和接收器的双工器。SJ 信号的产生主要是由于天线的反射、定向耦合器的隔离都有限以及连接到耦合器耦合端口的电路反射造成的。


可以使用两种方法来克服这个 SJ 信号问题。第一种方法是在接收器 LNA 之前设计一个自干扰消除(SJC)电路。第二种方法是使用零中频接收器架构,而且发射器和接收器使用的相同的本地振荡器(LO)。在这种情况下,自干扰信号将在基带转换为直流,然后使用隔直电容对信号进行交流耦合。在这个隔直点后,去除了 SJ 信号,后续元件的动态范围要求随之放宽。这意味着在基带上可增加足够的增益以降低接收器的噪声系数(NF)。这两种方法可以单独使用,也可以结合使用。一个典型的 SJC 电路如图 2 所示。5

 

图 2. 典型的自干扰消除电路

 

读卡器关键 RF 性能分析
包含 UHF RFID 读卡器 RF 前端的 SJC 电路框图如图 3 所示。ADI 公司的 AD9963 集成了双通道 DAC 和双通道 ADC。ADF9010 集成了发射器调制器、PLL/VCO、接收器基带滤波器和 PGA。解调器 ADL5382 包含在 ADF9010 评估板中。 ADL5523 用作 LNA,它可提供低噪声系数、高增益和高线性度。75 dB 高动态范围射频检波器 LT5538 适合 SJC RF 功率检波器使用。


对于发射器来说,在数字域内,应对信号进行低通滤波,以满足频域 ACLR 的要求,以及时域 RF 包络的要求。在模拟域,

 

图 3.UHF RFID 读卡器 RF 前端框图。

 

图 4. 使用 ADF9010 和 AD9963 的 UHF RFID 读卡器 RF 前端

 

PA 线性度和 LO 相位噪声都会影响 ACLR 的性能。经过低通滤波后,由 TPP 编码的 ASK 信号的峰均比 (PAR)约为 2 dB。PA 平均输出功率约为 32 dBm,裕量为 1 dB,因此应选择大于 35 dBm P-1 dB 的 PA。对于 LO 相位噪声,125 kHz 至 375 kHz 的相位噪声积分应小于 -40 dBc,375 kHz 至 625 kHz 的相位噪声积分应小于 -60 dBc。对于带外发射要求,需要采用一个 RF 滤波器,以满足发射器在谐波频率处的杂散要求。对于接近工作频率的要求,例如在 915 MHz 和 930 MHz,100 kHz 测量带宽的噪声为–52 dBm 的要求,RF 滤波器一般尚未衰减,所以调制器在 0 dBm 输出功率时的本底噪声要求约为–52 – 10 × log10 (105) – 30 = –132 dBm/Hz。在 5 MHz 偏移量下的相位噪声要求也应小于 –132 dBc。


接收器的灵敏度在 GB/T 35786-2017 标准中规定为 -65 dBm。假设读卡器在所有可能的数据速率下都满足 -65 dBm 灵敏度要求,那么 640 kHz 反向链路频率(BLF)应该是最糟的情况。对于包含 RFID 读卡器的 SJC,从天线端口到 SJC 输出的插入损耗约为 15 dB,因此 SJC 输出点的灵敏度要求为–80 dBm,假设不包含直流的标签反向散射信号功率为–80 


– 3 = –83 dBm。ASK 调制信号解调阈值约为 11 dB,BLF 640 kHz 上行链路信号的信号带宽为 2.56 MHz。所以总的 NF 需求为:NF ≤ –83 – (–174 + 10 × log10 (2.56 × 106) + 11) = 15.9 dB。这个 NF 总体要求包括 SJC 之后的接收器电路的噪声影响、SJC 电路引起的噪声和发射器泄漏噪声。假设矢量调制器信号支路与 自干扰支路之间的延时是匹配的,那么 SJC 电路在抵消 CW 自干扰信号的同时,发射器的泄漏噪声也会得到很好的抵消。发射器泄漏噪声包括三部分:相位噪声、幅度噪声和白噪声。一般情况下,幅度噪声和白噪声会抵消至–174 dBm/Hz 本底噪声。对于剩余的相位噪声,由于发射器和接收器使用相同的 LO,由于距离相关效应,它在下变频过程中会转换为直流。6 在这种情况下,矢量调制器分支噪声将是唯一的额外引入噪声。假设矢量调制器分支本底噪声为–162 dBm/Hz,因此在 SJC 电路输出端,有效 NF 为–174 – (–162) = 12 dB,那么 SJC 之后接收器电路的 NF 要求为 10 × log10 (101.59 – 101.2) = 13.6 dB。

 

基于 ADF9010 和 AD9963 的解决方案
ADF9010 是一款完全集成的 RF 发射器调制器、本地振荡器(LO)和接收器模拟基带前端,工作频率范围为 840 MHz 至 960 MHz。AD9963 是 12 位低功耗 MxFE®转换器,提供两个采样速率为 100 MSPS 的 ADC 通道和两个采样速率为 170 MSPS 的 DAC 通道。


使用 ADF9010 和 AD9963 实现 UHF RFID 读卡器 RF 前端的框图如图 4 所示。ADL5523 与 ADL5382 和 ADF9010(接收器增益设置为 24 dB)整个系统的级联 NF 小于 3 dB。


为了实现 UHF RFID 读卡器 RF 前端,笔者做了两块电路板。一块是包括自适应 SJC 算法在内的 SJC 板,另一块是集成了 ADL5382,ADF9010 和 AD9963 的收发信板。这两块板级联在一起,用于测试发射和接收系统级 RF 性能。


为了进行发射测试,采用 Python®构建由 TPP 编码、50%调制深度、Tari 设置为 12.5 μs RFID 下行链路波形的 DSB-ASK,并将其下载至 FPGA 板。在 PA 输出功率为 32 dBm 的天线端口上测试了频谱域 ACLR 和时域 RF 包络。测试结果如图 5 所示。对于 ACLR 测试结果,邻道的值大约是 -42 dBc,具有 2 dB 裕量,隔道的值为 -64 dBc,具有 4 dB 裕量。对于 RF 包络,纹波小于 1%,与 5%限值相比具有足够的裕量,且上升时间和下降时间都在 1 μs 和 8.25 μs 限值范围内。


为了进行接收测试,使用 ADI 公司的 SPDT RF 开关 HMC545A 构建标签仿真器,由微控制器单元进行控制。控制模式是一个 RFID 上行链路 FM0 编码数据列表。利用 MATLAB.®构建了一个 ASK 解码程序。通过使用此程序对 IQ 进行解码,并将其与数据列表中的原始数据进行比较,可以计算得出 BER 和接收器的灵敏度。图 6 显示了接收到的 IQ 数据和 FFT 图。从图中可以看出,该程序成功解码了一个具有 320 kHz BLF 的 -74 dBm RFID 上行线路信号。

 

图 5. 测试设置图

 

图 6. 发射器测试结果

 

使用 AD9361 来实现前端
AD9361 是一款高集成度的射频(RF)收发器,能够通过不同配置实现各种广泛应用。它在单个器件中集成了提供所有收发器功能所需的全部 RF、混合 - 信号和数字模块。为了实现 UHF RFID 读卡器,发射器和接收器应该使用相同的 LO 来利用距离相关效应,因此使用 AD9361 发射器监控路径,而不是常规的接收器路径。AD9361 发射器监控路径会旁路内部 LNA,所以添加了一个外部 LNA,例如 ADI 公司的 ADL5523。ADL5523 是一种高性能 GaAs pHEMT LNA,具有 0.8 dB NF 和 21.5 dB 增益。图 8 所示的框图显示了用于实现 UHF RFID 读卡器 RF 前端的 AD9361。与分立式组件方案相比,这款基于 AD9361 的解决方案得到了大幅简化。AD9361 基带采用直流耦合,而不是交流耦合。在这种情况下,需要 SJC 电路能够将自干扰信号降低到足够低的水平,例如小于–35 dBm,避免模拟电路出现饱和。因此,可以在数字域中移除自干扰转换直流信号。


AD9361 发射器监控路径增益分布由两部分增益组成:前端增益(发射器监控增益)和接收低通滤波器增益(GBBF)。发射器监控器增益可以设置为 0 dB、6 dB 或 9.5 dB。GBBF 可以设置为 0 dB 至 24 dB,步长 1 dB。利用这种灵活的增益配置,可以轻松实现接收器 AGC 功能。对于这个 UHF RFID 读卡器应用,发射器监控路径增益设置为 3 dB,GBBF 设置为 6 dB。当 AD9361 增益设置为 3 dB 时,ADL5523 和 AD9361 的发射器监控端口的级联 NF 约为 12.6 dB。与 13.6 dB 分析要求相比,此设置存在 1 dB 的裕量,如果残余的自干扰信号为 
-35 dBm,则数字域功率为–7 dBfs。

 

图 7. 接收到的接收器数据 FFT 图和解码数据

 

图 8. 使用 AD9361 的 UHF RFID 读卡器 RF 前端的框图

 

图 9. 测试设置框图

 

基于 AD9361 的解决方案、测试设置和结果
为了实现 UHF RFID 读卡器 RF 前端,利用之前提到的包含自适应 SJC 算法的 SJC 板与 AD9361 级联在一起,用于测试发射器和接收器系统级 RF 性能。测试设置框图和连接图如图 9 和图 10 所示。


测试结果如图 11 所示。对于 ACLR 测试结果,邻道的值大约是 -42 dBc,具有 2 dB 裕量,隔道的值为 -61 dBc,具有 1 dB 裕量。对于 RF 包络,纹波小于 1%,满足 5%限值裕量要求。上升时间和下降时间在 1 μs 和 8.25 μs 限值范围内。


为了进行接收器测试,构建了一个 RFID 上行链路 FM0 编码数据列表,并将其下载到信号生成器 SMW200A,然后针对 SMW200A 进行配置,利用此数据列表发射 DSB ASK 信号。AD9361 接收到的 IQ 数据存储在 FPGA 板中,并利用 FTP 工具提取到 PC。利用 MATLAB 构建一个 ASK 解码程序。使用此程序对数据进行解码,并将其与数据列表中的原始数据进行比较,可以计算得出 BER 和接收器的灵敏度。图 12 显示了 MATLAB 程序的 FFT 图和解码数据。测试结果表明,该程序成功解码了一个具有 640 kHz BLF 的 -65 dBm RFID 上行线路信号。

 

图 10. 测试设置图

 

图 11. 发射器测试结果

 

结论
本文首先概述了中国的汽车电子标识标准。然后分析了 UHF RFID 系统级链路预算、RFID 中采用的关键技术(例如 SJC),以及关键的 RF 性能要求。最后,设置基于 ADF9010 和 AD9963 的解决方案,以及基于 AD9361 的 UHF RFID 读卡器 RF 前端,进行系统级性能测试。基于 ADF9010 和 AD9963 的解决方案具有高性能和相当大的裕量,可以满足 GB/T 29768-2013 和 GB/T 35786-2017 的要求。基于 AD9361 的集成解决方案在降低接收器灵敏度的情况下也满足这些要求,与分立式双组件方案相比,此方案明显简化。虽然本文描述的射频前端针对特定应用,但是分析方法和前端本身都适用于一般的 UHF RFID 读卡器解决方案。

 

图 12. 接收到的接收器数据 FFT 图和解码数据

 

参考文献
1 GB/T 29768-2013 “信息技术—射频识别—空中接口协议(800/900 Mhz)。”


2 GB/T 35786-2017 “机动车电子标识读写设备通用规范。”


3 Monza X 天线应用笔记。Impinj.


4 Gregor Lasser、Christoph F. Mecklenbrauker。“RFID 读卡器的自干扰 噪声限值。”2015 年 IEEE 国际 RFID 会议,2015 年 6 月。


5 Alírio Boaventura、João Santos、Arnaldo Oliveira、Nuno Borges Carvalho。“完全隔离:无源 RFID 系统中的自干扰处理。”IEEE 微波杂志,第 17 卷第 11 期,2016 年 11 月。


6 Byung-Jun Jang、Hyun-Goo Yoon。“UHF RFID 读卡器 相位噪声的距离相关效应。”IEEE 微波与无线元件快报,2009 年 1 月